KR20080095750A - 와이어쏘를 위한 와이어 가이드 롤 - Google Patents

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Abstract

본 발명은, 원통형 소재로부터 다수의 웨이퍼를 동시에 얇게 절단하기 위한 와이어쏘에 사용하기 위한 것으로서, 두께가 2 mm 이상 최대 7.5 mm이고 Shore A 경도가 60 이상 최대 99인 재료로 이루어진 코팅이 마련되고, 다수의 홈을 더 포함하여 이 홈을 통해 절단용 와이어가 안내되며, 각각의 홈은 곡률 반경(R)이 절단용 와이어 직경(D)의 0.25 내지 1.6 배로 주어지고 개구 각도(a)가 60 내지 130°인 만곡된 홈 기부를 갖는 것인 와이어 가이드 롤에 관한 것이다. 본 발명은 또한 상기 와이어 가이드 롤을 사용하여 와이어쏘에 의해 원통형 소재로부터 다수의 웨이퍼를 동시에 얇게 절단하는 방법에 관한 것이다.
와이어 가이드 롤, 와이어쏘, 코팅 두께, 개구 각도

Description

와이어쏘를 위한 와이어 가이드 롤{WIRE GUIDE ROLL FOR WIRE SAW}
본 발명은 원통형 소재, 특히 반도체 재료로 이루어진 소재로부터 다수의 웨이퍼를 동시에 얇게 잘라내기 위한 와이어쏘에 사용되는 와이어 가이드 롤에 관한 것이며, 소재 및 와이어쏘의 와이어 세트는 전방 공급 장치의 도움을 받아 소재의 종축에 수직하게 지향되는 상대 운동을 행하며, 이러한 상대 운동에 의해 소재는 와이어 세트를 통해 안내된다.
일반적으로 반도체 웨이퍼는, 와이어쏘의 도움을 받아 반도체 재료로 된 원통형 단결정 또는 다결정 소재를 동시에 하나의 작업 단계에서 다수의 반도체 웨이퍼로 얇게 잘라냄으로써 제작된다.
이들 와이어쏘의 핵심 부품에는 머신 프레임, 전방 공급 장치, 및 소정 세트의 평행한 와이어 부분을 포함하는 절단 도구가 포함된다. 소재는, 일반적으로 시멘트 접합 또는 접착제 접합에 의해 소위 절단 스트립에 고정된다. 절단 스트립은 이후 와이어쏘에 소재를 클램핑하기 위해 마운팅 플레이트에 고정된다.
일반적으로 와이어쏘의 와이어 세트는 다수의 평행한 와이어 부분에 의해 형성되며, 이들 와이어 부분은 2개 이상의 와이어 가이드 롤 사이에서 팽팽하게 유지 되고, 와이어 가이드 롤은 회전 가능하게 장착되며 이들 와이어 가이드 롤 중 하나 이상의 롤이 구동된다. 일반적으로 와이어 부분은, 롤 시스템 둘레에 나선형으로 안내되고 스톡 롤로부터 풀려서 리시버 롤로 향하는 단일 유한 와이어에 속한다.
절단 공정 중에, 전방 공급 장치는 와이어 부분 및 서로 대향되게 지향되는 소재의 상대 운동을 유도한다. 이러한 전방 공급 운동의 결과로서, 절단용 현탁액이 가해지는 와이어가 작동하여 소재를 통해 평행한 절단면을 형성한다. 슬러리라고도 또한 지칭되는 절단용 현탁액은 예컨대 액체 중에 떠 있는 실리콘 카바이드 등의 경질 재료 입자를 포함한다. 연마제가 견고하게 부착된 절단용 와이어도 또한 사용될 수 있다. 이러한 경우, 절단용 현탁액을 가할 필요가 없다. 다만 액상의 냉각용 윤활제(예컨대 물)를 가할 필요가 있으며, 이 윤활제는 와이어 및 소재가 과열되는 것을 방지하고 동시에 소재 부스러기를 절단 홈으로부터 멀리 운반한다.
원통형 반도체 재료, 예컨대 단결정 로드로부터 반도체 웨이퍼를 제작하는 것은 절단 방법에 엄격한 요구조건을 부여한다. 절단 방법의 목적은 일반적으로, 절단된 반도체 웨이퍼 각각이 최대한 평탄하고 서로 평행인 2개의 표면을 구비하도록 하는 것이다.
두께 변화 이외에도, 반도체 웨이퍼의 2개의 표면의 평탄도(planarity)는 매우 중요하다. 반도체 단결정체, 예컨대 실리콘 단결정체를 얇게 절단하는 데 와이어쏘를 사용한 후에, 이에 따라 제작된 웨이퍼는 파형 표면을 갖는다. 이러한 파상도는 제거된 재료의 깊이뿐만 아니라 파상도의 파장 및 진폭에 따라, 예컨대 그 라인딩(grinding) 또는 래핑(lapping) 등의 후속 단계에서 부분적으로 또는 완전히 제거될 수 있다. 최악의 경우, 수 mm 내지 예컨대 50 mm 범위의 주기를 가질 수 있는 전술한 표면의 불규칙성(기복, 파상도)은 심지어 마무리된 반도체 웨이퍼의 연마(polishing) 후에도 발견될 수 있으며, 이러한 불규칙성은 국부적인 형상에 해로운 영향을 준다.
파라메타 바우(bow) 및 와프(warp)는, 요구되는 이상적인 웨이퍼 형상[또는 "휨(sori)"]과 실제 웨이퍼 형상의 편차에 대한 척도로서, 절단부의 진직도(straightness)에 크게 좌우되며, 이러한 진직도는 또한 사용된 와이어 가이드 롤의 특성에 의해 결정적으로 영향을 받는다.
와이어 가이드 롤에는 통상적으로 코팅이 마련된다. 와이어 가이드 롤은 또한 다수의 홈을 포함하며, 이러한 다수의 홈을 통해 절단용 와이어가 안내되고, 이들 홈에 의해 와이어쏘의 와이어 세트가 형성된다.
폴리우레탄 코팅을 포함하는 와이어 가이드 롤이 통상적으로 사용된다. 폴리우레탄은 연마제 슬러리 또는 연마제가 견고하게 부착된 절단용 와이어에 의한 연삭에 대해 실질적으로 내마모성을 갖는다.
그러나, 필연적으로 홈의 기하학적 변형을 초래하는 와이어 가이드 롤의 마모는, 종래 기술에서 점진적으로 예컨대 50 회 작동 후에 발생된다. 그러나, 이는 바람직하지 못한데, 전술한 홈의 기하학적 변형에 따라 더 이상 절단용 와이어의 최적의 안내를 보장하지 못하기 때문이다.
JP 2006102917 A2는, 5 내지 30 중량%의 실리콘 카바이드 연마제를 함유한 우레탄을 코팅으로서 사용하는 것을 제안하며, 이에 따라 전술한 코팅은 우레탄만을 포함하는 코팅보다 훨씬 더 경질이 된다.
그러나, 와이어 가이드 코팅이 지나치게 경질이면, 와이어와 와이어 가이드 롤 사이의 마찰식 고정은 더 이상 보장되지 않으므로, 와이어 세트는 더 이상 이동 중에 최적으로 세팅되지 않을 수 있다.
이는 또한 JP 11099465 A2에 개시된 와이어 가이드 롤에도 적용된다. JP 11099465 A2에서도 역시, 롤의 코팅은 연마제 실리콘 카바이드 입자에 필적하는 경도를 갖는 재료를 포함하도록 되어 있다. 실리콘 카바이드 입자의 경도는 3000 내지 4000 HV(빅커 경도)이다.
JP 11262853은 저산소 플라즈마를 이용하여 와이어 가이드 롤의 표면을 처리함으로써 유사한 접근법을 선택한다. 이는, 와이어 가이드 롤의 표면을 보다 균일하게 하려는 의도이며, 와이어 가이드 롤의 수명을 약 2 배 정도 연장시키려는 의도이다. 절단된 와이퍼의 파상도는 또한 이에 따라 개선될 수 있다. 와이어 가이드 롤은 경질의 우레탄 수지 표면을 포함한다. 마모되지 않은 와이어 가이드 롤의 홈은 종래 기술에서 통상적인 V자 형상을 갖는다.
따라서, 본 발명의 목적은 와이어쏘에 대해 적절한 와이어 가이드 롤을 제공하고 종래 기술의 문제점을 방지하는 것이다.
본 발명은, 원통형 소재로부터 다수의 웨이퍼를 동시에 얇게 절단하기 위한 와이어쏘에 사용하기 위한 것으로서, 두께가 2 mm 이상 최대 7.5 mm이며 Shore A 경도가 60 이상 최대 99인 재료로 이루어진 코팅이 마련되고, 다수의 홈을 더 포함하여 이 홈을 통해 절단용 와이어가 안내되며, 각각의 홈은 곡률 반경(R)이 절단용 와이어 직경(D)의 0.25 내지 1.6 배로 주어지고 개구 각도(a)가 60 내지 130°인 만곡된 홈 기부를 갖는 것인 와이어 가이드 롤에 관한 것이다.
본 발명에 따른 와이어 가이드 롤은 Shore A에 따른 경도 레벨이 60 이상 최대 99인 재료로 된 코팅을 포함한다. Shore A에 따른 엘라스토머의 경도 측정은 ISO 868에 기술되어 있다.
와이어 가이드 롤의 코팅은 82 내지 99 사이의 Shore A 경도를 갖는 재료로 이루어지는 것이 바람직하다.
폴리에스터 또는 폴리에테르에 기초한 폴리우레탄을 사용하는 것은 특히 바람직하다. 이는 롤링 가능한 폴리우레탄 및 캐스트 폴리우레탄을 포함할 수 있다.
와이어 가이드 롤의 코팅은, 홈의 소성 변형에 충분히 견딜 수 없기 때문에 어떠한 경우에도 지나치게 연질이어서는 안 된다. 이 경우, 절단용 와이어는 와이 어 가이드 롤 내부를 절단할 수 있다. 이는 홈의 기하학적 변형을 수반할 수 있으므로, 절단용 와이어는 더 이상 최적으로 안내되지 못하고 측방향 힘이 발생하면 쉽게 이탈될 수 있다. 이는 절단부의 정확도 및 진직도에 해로운 영향을 주며, 이에 따라 후속 공정 단계에서 전혀 개선되고 수정될 수 없거나 막대한 비용만으로는 개선되고 수정될 수 없는 조악한 바우 및 와프 값을 초래한다.
롤 코어, 즉 와이어 가이드 롤의 기부 본체는 강, 예컨대 열팽창이 작은 특수강(Ingwar Steel)을 포함하는 것이 바람직하다. 그러나, 알루미늄, 스테인레스 강, 티타늄, 탄소 또는 GFP 및 CFP와 같은 복합 재료를 롤 코어 재료로서 사용하는 것도 또한 가능하다. GFP 및 CFP는 각각 유리 섬유 또는 탄소 섬유를 이용하여 강화된 플라스틱이다.
와이어 가이드 롤은 절단용 와이어를 안내하기 위한 다수의 홈을 포함한다. 모든 홈은, 만곡된 홈의 기부 및 특정 개구 각도를 갖는 홈의 측벽을 이용하여 정의되는 균일한 기하학적 형상을 갖는다.
절단용 와이어가 안내되는 홈의 기부는, 사용되는 절단용 와이어의 직경(D)의 적어도 25 %에 대응하지만, 절단용 와이어의 직경보다 최대 60 %만큼 큰 곡률 반경(R)을 갖는다. 이는 R이 0.25D 내지 1.6D임을 의미한다.
그러나, 홈의 기부의 곡률 반경은 절단용 와이어의 직경보다 작은 것이 바람직하다. 홈의 곡률 반경은 절단용 와이어 직경의 0.4 내지 0.9 배인 것이 바람직하며, 즉 R은 0.4D 내지 0.9D이다.
본 발명에 따르면, 각각의 홈의 개구 각도는 60 내지 130°이다.
상기 개구 각도는 80 내지 110°인 것이 바람직하다.
와이어 가이드 롤의 코팅 두께는 2 mm 이상 6 mm 이하인 것이 특히 바람직하다.
본원 발명자는, 본 발명에 따라 성형된 홈이 종래 기술로부터 공지된 V자형 홈 형태에 대해 장점을 갖는다는 것을 발견하였다.
상기 코팅은, 본 발명에 따른 특정 경도 레벨을 갖는 폴리우레탄을 포함하는 것이 바람직하다. 폴리우레탄은 압축성 재료이다. 롤에 걸쳐 비교적 큰 힘(와이어 턴당 20 내지 30 N이며 일반적으로 약 300 와이어 턴임)으로 신장되어 있는 절단용 와이어는 코팅이 10분의 수 mm 범위로 압축되도록 한다. 또한, 이러한 압축은 전체 코팅에 걸쳐 일정하지 않으며 오히려 변동이 있다. 와이어 절단 공정에 있어서 매우 중요한 와이어 장력은, 다음 관계식이 적용되기 때문에 이러한 압축에 따라 직접적으로 결정된다.
F = A × E × dl/l
이때, F는 와이어 장력을 나타내고, A는 와이어의 단면적을 나타내며, E는 탄성계수를 나타내고, dl은 길이 변화를 나타내며, l은 와이어의 자유 길이를 나타낸다.
코팅의 압축은 코팅 두께가 더 커짐에 따라 비례하며, 와이어 장력의 큰 변화를 초래하고, 이는 절단 공정에 해로운 효과를 갖는다.
반면에, 코팅 두께는 임의로 작게 선택될 수 없는데, 이러한 경우에 발생되는 와이어 힘이 롤 코어에 직접 작용하여 코팅의 분리를 초래할 수 있기 때문이다.
본 발명에 따른 2 mm 내지 7.5 mm 두께의 코팅은 와이어 장력에 있어서의 이러한 변동 및 롤 코팅의 분리를 방지하며, 와이어 절단 공정에서 얇게 절단된 웨이퍼가 최적의 기하학적 품질을 갖도록 한다. 종래 기술에서는, 8 mm를 초과하는 두께, 일반적으로 10 mm를 초과하는 두께의 코팅을 갖춘 와이어 가이드 롤이 보통 현재까지 사용되었다. 본 발명은 코팅 두께와 와이어 가이드 롤의 수명 사이의 관계를 최초로 설명한다.
본원 발명자는, 본 발명에 따른 와이어 가이드 롤의 코팅 경도 및 본 발명에 따른 코팅 두께가 롤 마모의 최적화 및 이에 따른 와이어 가이드 롤의 수명 연장을 유도하며, 이는 첨가제의 보다 경제적인 사용과 관련하여 분명히 경제적으로 장점을 갖는다는 것을 발견하였다.
그러나, 본 발명에 따라 성형된 홈은 코팅 두께와 함께 와이어 가이드 롤의 홈에서의 절단용 와이어의 최적화된 안내를 보장하며, 이에 따라 절단 품질을 개선시키고 결과적으로 절단된 웨이퍼의 기하학적 형상을 개선하도록 한다.
본 발명에 따른 와이어 가이드 롤은 와이어쏘에서 사용된다. 이 경우 와이어 가이드 롤 둘레로 절단용 와이어를 수 회 정도 감아서 와이어쏘의 와이어 세트를 형성한다. 소재, 특히 반도체 로드인 것이 바람직하고 보다 구체적으로는 실리콘 로드인 것이 바람직한 원통형 소재는 전술한 와이어쏘에 의해 하나의 작업 단계에서 절단될 수 있다.
본 발명에 따르면 와이어쏘에 대해 적절한 와이어 가이드 롤을 제공할 수 있 으며 종래 기술의 문제점을 방지할 수 있다.
아래에서는 도면의 도움을 받아 본 발명을 설명한다.
와이어쏘의 전방 공급 방향으로의 웨이퍼의 기하학적 형상은, 예컨대 스캔용 커패시티브 센서 쌍에 의해 측정된다. 우선, 전방측 신호와 후방측 신호의 차이가 측정된다. 파상도(waviness)를 측정하기 위해, 길이가 10 mm인 윈도우가 이 윈도우에 의해 얻어지는 평가 곡선을 거쳐 이동된다. 윈도우 내에서의 최대 편차는 윈도우 중심에 대한 새로운 값을 생성한다[롤링 박스카 필터링(rolling boxcar filtering)]. 웨이퍼에 걸친 전체 스캔부에서의 최대 편차[피크-대-밸리(PV)]가 최대 파상도이다. 절개 영역의 파상도는 동일한 방식으로 측정되지만, 최초 50 mm의 스캔부(와이어쏘 절개 영역)만을 고려한다. 와프는 기준 평면으로부터 전체 웨이퍼의 뉴트럴 파이버(neutral fiber)의 최대 편차(상한 및 하한)의 합이다(3차원).
선형 형상 범위(LSR)는 일직선의 기준선으로부터 와이어쏘의 전방 공급 방향으로 스캔부의 뉴트럴 파이버의 최대 편차의 합이다(2차원).
예를 들면, 전술한 기하학적 파라메타를 측정하기 위해서는 E+H(아이호른+하우즈만)로부터 입수한 측정 장치 MX 7012(절단된 상태의 웨이퍼에 대한 고해상도의 두께 및 표면 프로파일러)이 적절하다.
도 1은 와이어 가이드 롤의 각각의 홈의 본 발명에 따른 기하학적 형상을 개략적으로 도시한 도면으로서, 홈의 기부의 곡률 반경은 R로 표시되고 홈의 측벽의 개구 각도는 a로 표시된다. 또한, 슬러리 입자(절단용 현탁액)뿐만 아니라 직경이 D인 절단 와이어도 표시되어 있다.
도 2는 교체될 때까지 와이어 가이드 롤을 사용하여 가능한 작업의 평균 회수뿐만 아니라 관련된 표준 편차를 와이어 가이드 롤의 코팅 두께의 함수로서 도시하고 있다.
코팅 두께가 더 두꺼우면(8 mm를 초과하면) 작업 가능 회수가 감소함을 알 수 있다. 각각의 경우에 와이어 가이드를 교체하는 주된 이유는 절단 품질이 불량하기 때문이다.
도 3은 사용되는 와이어 가이드 롤의 2군의 코팅 두께의 함수로서 절단 품질을 도시하고 있다.
이를 위해, 코팅 두께가 6 mm 이하인 와이어 가이드 롤을 사용할 때와 코팅 두께가 8 mm 이상인 와이어 가이드 롤을 사용할 때의 기하학적 파라메타인 최대 파상도를 비교하였다. 기하학적 파라메타가 발생하는 누적 빈도가 각각의 경우에 도시되어 있다.
코팅 두께가 6 mm 이하일 때의 최대 파상도 값이 보다 양호하였다.
도 4는 이와 유사하게, 사용된 와이어 가이드 롤의 2군의 코팅 두께의 함수로서 절단 품질을 도시하고 있다. 이를 위해, 6 mm 이하의 코팅 두께를 갖는 와이어 가이드 롤을 이용할 때와, 8 mm 이상의 코팅 두께를 갖는 와이어 가이드 롤을 사용할 때의 기하학적 파라메터인 절개 영역의 파상도를 비교한다. 각각의 경우에 기하학적 파라메타가 발생되는 누적 빈도가 도시되어 있다.
이후 코팅 두께가 6 mm 이하인 경우에 절개 영역의 파상도 값이 보다 양호함을 발견하였다.
또한, 도 5에서는 사용된 와이어 가이드 롤의 2군의 코팅 두께의 함수로서의 절단 품질을 고찰한다. 이를 위해, 6 mm 이하의 코팅 두께를 갖는 와이어 가이드 롤을 사용할 때와, 8 mm 이상의 코팅 두께를 갖는 와이어 가이드 롤을 사용할 때의 기하학적 파라메타인 선형 형상 범위를 비교한다. 각각의 경우에 기하학적 파라메타가 발생되는 누적 빈도가 도시되어 있다.
코팅 두께가 6 mm 이하인 경우의 선형 형상 범위(LSR)가 보다 양호함을 발견하였다.
따라서, 전반적으로 코팅 두께가 두꺼울수록 조악한 절단 결과를 얻게 되고, 와이어 가이드 롤의 코팅 두께의 본 발명에 따른 범위는 특히 유리함을 발견하였다.
도 1은 와이어 가이드 롤의 홈의 본 발명에 따른 형상을 개략적으로 도시하는 도면.
도 2는 와이어 가이드 롤을 이용하여 작업 가능한 회수를 코팅 두께의 함수로서 도시하는 도면.
도 3은 와이어 가이드 롤의 2군의 코팅 두께에 대하여 기하학적 파라메타인 최대 파상도를 비교하는 도면.
도 4는 와이어 가이드 롤의 2군의 코팅 두께에 대하여 기하학적 파라메타인 절개 영역의 파상도를 비교하는 도면.
도 5는 와이어 가이드 롤의 2군의 코팅 두께에 대하여 기하학적 파라메타인 선형 형상 범위(LSR, 전체 와프)를 비교하는 도면.
<도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명>
R : 홈의 기부의 곡률 반경
D : 절단용 와이어의 직경
a : 홈 측벽의 개구 각도

Claims (6)

  1. 원통형 소재로부터 다수의 웨이퍼를 동시에 얇게 절단하기 위한 와이어쏘에 사용하기 위한 와이어 가이드 롤로서, 두께가 2 mm 이상 최대 7.5 mm이며 Shore A 경도가 60 이상 최대 99인 재료로 이루어진 코팅이 마련되고, 다수의 홈을 더 포함하여 이 홈을 통해 절단용 와이어가 안내되며, 각각의 홈은 곡률 반경(R)이 절단용 와이어 직경(D)의 0.25 내지 1.6 배이고 개구 각도(a)가 60 내지 130°인 만곡된 홈 기부를 갖는 것인 와이어 가이드 롤.
  2. 제1항에 있어서, 상기 와이어 가이드 롤의 코팅은 82 내지 99의 Shore A 경도를 갖는 재료로 이루어지는 것인 와이어 가이드 롤.
  3. 제1항 또는 제2항에 있어서, 상기 홈의 기부의 곡률 반경(R)은 절단용 와이어 직경(D)의 0.4 내지 0.9 배인 것인 와이어 가이드 롤.
  4. 제1항에 있어서, 상기 홈의 개구 각도는 80 내지 110°인 것인 와이어 가이드 롤.
  5. 제1항 또는 제2항에 있어서, 상기 코팅의 재료로서 폴리우레탄이 사용되는 것인 와이어 가이드 롤.
  6. 와이어쏘에 의해 원통형 소재로부터 다수의 웨이퍼를 동시에 얇게 절단하는 방법에 있어서, 제1항 또는 제2항에 따른 와이어 가이드 롤을 사용하는 것인 방법.
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